С.А.Ловягин, школа № 1060, г. Москва

Концепция учебника по физике
для «гуманитариев»

В настоящий момент на рынке учебных книгоизданий есть множество качественных учебных пособий по физике и для общеобразовательных школ, и для школ с углубленным изучением предмета. Однако главной проблемой сегодня является разработка курса (и соответственно учебника) физики для «гуманитариев», ведь эта категория учащихся стремительно увеличивается (в том числе из-за резкого уменьшения престижа научной деятельности в нашем обществе).

Какую роль может играть этот предмет в образовании «гуманитариев»? Можно предложить два варианта разумного ответа на этот вопрос. Первый: курс физики в общей концепции гуманитарного образования призван дополнить его естественнонаучным и техническим содержанием, чтобы, с одной стороны, скорректировать односторонность «чисто гуманитарного содержания», с другой – дать возможность гуманитарному образованию быть действительно общекультурным и современным. Второй вариант ответа предполагает более «революционное» изменение содержания преподавания данного предмета. Он состоит в гуманитаризации самой физики. Но т.к. в самой науке это направление деятельности еще только начинает развиваться, в настоящий момент подобная перестройка представляется крайне сложной.

В представляемой концепции содержится попытка реализовать первую возможность перестройки содержания курса физики. Наряду с большим преобразованием традиционного содержания этого учебного предмета серьезный упор делается также и на изменение методов работы учащихся с этим обновленным содержанием, что невозможно решить лишь за счет нового учебного текста, но требует также и новой технологии обучения.

Прежде чем сформулировать основные положения концепции учебника, постараемся кратко ответить на вопрос: в чем специфика гуманитарного склада мышления? Во-первых, в конкретном, образном, ассоциативном характере мышления в противовес абстрактно-логическому, «ненаглядному» мышлению современной науки. Во-вторых, в существенной роли субъективного, эмоционального, экзистенциально-личностного в противовес объективному характеру естествознания. В-третьих, в выраженном интересе к человеку и его роли в мире в противоположность естественной, т.е. от человека не зависящей и вместе с тем механистической (в широком смысле) ориентации естественных наук. В-четвертых, в приоритете творческого, художественного начала в отличие от конструктивного, логически последовательного построения научных и технических объектов и понятий. В-пятых, преобладание иного типа связей и логики в развитии содержания по сравнению с естественнонаучным мышлением и логикой причинно-следственных связей. Для «гуманитария» столь же естественным является объяснение происхождения какого-либо объекта, явления, исходя из целого, в которое он включен, или же из чисто эстетической необходимости.

И так далее. Список специфических черт, отличающих гуманитарное сознание от естественнонаучного можно было бы продолжить. Однако приведенное принципиально при разработке концепции учебника физики для «гуманитариев», основные положения которой сформулированы ниже.

1. Основными целями изучения физики для этой категории учащихся являются:

§ сообщение им знаний о явлениях и законах неживой природы;

§ ознакомление с той сферой человеческой культуры и с теми способами рационального отношения к действительности, которые культивируются в науке и прежде всего в физике как наиболее яркой представительнице и источнике этого типа мышления;

§ обеспечение элементарного понимания основных принципов работы технических устройств, с которыми современный человек встречается на каждом шагу;

§ воспитание интереса к изучению физики;

§ формирование разностороннего образа мира, в котором наряду с классической естественнонаучной картиной существуют элементы современного научного взгляда на природу как сложную, взаимосвязанную, не механическую, эволюционирующую целостность, а также и его художественного восприятия.

Принципиально, что речь идет именно об ознакомлении, а не о формировании систематических прочных знаний по этому предмету, поскольку действительность говорит нам, что, хотя эти цели были всегда, в реальной жизни эти две сферы – образ мира, который получают в школе, и жизнь, которая окружает в действительности, – были попросту разорваны.

Элементарный пример: роль психологической установки больного как сильнейшего фактора физического выздоровления, этого «субъективного» элемента! – «рационального» объяснения этого факта на основе анализа химических процессов в организме не существует. Примитивное «школьное мировоззрение», считающее, что в мире действуют однозначные физические законы на всех уровнях его организации, давно преодолено современной научной практикой и теорией. Но разве легко на уровне школы показать это преодоление? И нужно ли заставлять детей верить в то, что мир так просто устроен, как это описано в учебнике? Важнее продемонстрировать учащимся многогранность и сложность мира, а также возможности его познания и освоения человеком.

2. Существенным элементом содержания курса для «гуманитариев» являются многообразные физические феномены, причем рассматриваемые непосредственно, в живом эксперименте (а не только на страницах учебника). Конкретность деталей и примеров важнее абстракций! В этом смысле и физические законы следует давать через призму конкретных явлений, в которых они проявляются. Это требует специального отбора наиболее характерных и «красноречивых» явлений и экспериментов, в которых суть физической закономерности проявляется наиболее ярко и непосредственно. Именно поэтому излишней является «аппаратурная насыщенность» экспериментов. Чем проще оборудование, тем лучше. Кроме того, в сознании учащегося эти две стороны физического закона – явление и закономерность, реальное и идеальное, – должны все время быть рядом. Тогда не нужно будет говорить об «отрыве от жизни». Более того, подходящий пример облегчит для «гуманитария» и понимание данной закономерности.

Здесь естественно сказать и о подходящей последовательности предъявления материала: сперва явление, эксперимент, а только затем его осмысление – закономерность. Ведь явление для любого человека обладает определенной очевидностью, статусом реальности. Оно убедительнее любой теории, как бы долго нас ни убеждали в том, что «чувства обманчивы». Если мы хотим научить детей умению отсеивать действительное от ложного, сформировать у них способность самостоятельно отличать действительно установленные факты от «точек зрения», необходимо с самого начала сформировать у них здоровое доверие к личному опыту.

3. Содержание изучаемых закономерностей должно носить преимущественно качественный характер. Ни для кого не секрет, что не все способны математически мыслить. Когда новое физическое понятие (например импульс) предъявляются ребенку сперва как результат математических преобразований или же просто как математическая конструкция, а потом (в лучшем случае) ищется ее физический смысл, т.е. отношение к природе, к физической действительности, у многих детей возникает элементарное непонимание и причудливое «мировоззрение»: будто в действительности существуют формулы, а явления нужны лишь для их иллюстрации. Формулы всегда «правильны», а явления могут «ошибаться» (какая-нибудь сила трения «портит» красивый закон пропорциональности пути квадрату времени падения!).

Более того, в пользу качественного изучения физики говорит также и тот факт, что существенными для понимания физики являются как раз не сами математические зависимости между величинами, а их «физический смысл», «понимание сути физической ситуации задачи». Недаром решение качественных задач оказывается зачастую более сложным делом для большинства знакомых с физикой учеников. А ведь на качественных задачах легко проверить и знание, и понимание физических законов. Они неплохо способствуют и развитию мышления учащихся.

Конечно, это не говорит в пользу полного исключения расчетных задач из содержания курса, однако число их должно быть резко сокращено, а количество типов (величин, для которых применяется расчет) значительно уменьшено. Какой смысл для «гуманитария» может иметь, к примеру, расчет величины импульса силы? Или же потенциальной энергии тела массой 10 кг, поднятого на высоту 12 м над поверхностью земли? Что ему скажут эти джоули? Гораздо более понятная вещь – плотность различных вещей, особенно в сравнении друг с другом.

4. В отношении явлений природы следует не ограничиваться только научным их рассмотрением. Ведь есть еще и другой взгляд на то же самое – поэтический, или художественный, в котором действительность предстает перед нами в ином свете, в свете человеческого духа. Это насквозь пронизанное субъективностью отношение – не в смысле неправильного, искаженного восприятия действительности, а в смысле ее одухотворения, когда во внешнем, казалось бы, чуждом человеку мире, находятся «человеческие», духовные и душевные черты. Именно находятся, а не произвольно полагаются. Гениальность художника состоит именно в раскрытии, а не в придумывании одухотворенных черт объективной действительности. Например, красный цвет в живописи с необходимостью вызывает ощущение внутренней активности. И это не является всего лишь условностью, ибо вызывает в совершенно разных людях сходные переживания.

В этой связи необходимо там, где можно, именно дополнить физическую картину мира, явления ее поэтическим или художественным изображением. Дело это, безусловно, деликатное, т.к. надо постараться не испортить, а наоборот, создать настоящее переживание красоты или же величия природы. Чего, безусловно, нельзя достичь, просто введя в обучение еще и пару-тройку стихов, да еще и картинку, и при этом использовать Творение художника только для того, чтобы и его анатомизировать, вырезать из него кусок, «описывающий то же самое», только в рифму. Если это не рождает настоящего, глубокого переживания, лучше вовсе не делать, потому что никогда не надо умерщвлять живое.

5. Кроме того, искусство должно более глубоко войти в саму ткань процесса обучения. Учебники должны быть красиво, со вкусом оформлены. Язык изложения должен быть не сухим, а литературным, насыщенным, образным, со множеством сравнений, красивых звучных слов. В этом смысле учебнику далеко до хорошей научно-популярной литературы, написанной авторами с широким культурным кругозором. А ведь именно этой литературой зачитывались целые поколения и естественников, и гуманитариев. Широкий охват и множество связей различных областей действительности, интересные примеры из жизни – вот что важно, интересно и воспитывает «гуманитария».

6. В этом смысле систематичность, последовательность изложения отходит на второй план; все равно из-за наличия различных областей учебник в действительности разбит на главы, которые не следуют одна из другой. Поэтому стоит пожертвовать обилием материала и строгой последовательностью изложения, предоставив место подробному и конкретному рассмотрению отдельных узловых примеров, характерных для каждой области изучаемого материала. Под узловыми примерами здесь понимаются не только явления или же технические устройства, но и связанные с ними физические законы (см. выше, п. 2). Нужно только правильно отобрать самое важное физическое содержание и иметь смелость отказаться от того, что «также очень хотелось бы рассказать детям». В этой работе по отбору содержания специалист-предметник должен отойти немного на задний план, уступив место педагогу.

7. Важным гуманитарным аспектом содержания физики является история ее развития, а также биографии ученых. И то и другое должно войти красной нитью (может быть, даже связующей изложение) в содержание учебника физики. Что такое шесть строк о сэре Исааке Ньютоне, помещенные нередко под его малюсеньким портретом в учебнике? За ними совершенно не виден человек, не видно личности, а именно это интересует «гуманитария» (да и всякого любознательного ребенка). Не менее важен социо-культурный аспект развития физики и техники, ведь многие открытия меняли не только науку, но и сознание общества в целом (достаточно привести в пример Галилея или Эйнштейна). Но вот что действительно обязательно, так это кратко упомянуть об этом значении. Нужно его подробно описать, показав на фактах, примерах, как способ мышления, введенный в науку Галилеем, действует в сознании каждого современного человека (по крайней мере современного ученого).

8. Каждому человеку вполне доступно знание о том, что поезд метро, в котором он едет, приводится в движение электродвигателем, представляющим собой в упрощенном варианте вращающуюся обмотку с током, создающим магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем статора. Что утюг, радиатор и электроплита греют оттого, что внутри электрический ток раскаляет проволоку высокого сопротивления точно так же, как это происходит в лампе накаливания. И так далее. Включая рассмотрение принципов работы наиболее распространенных технических устройств в обучение «гуманитария», мы тем самым связываем содержание физики с окружающей жизнью.

В качестве примера привожу структуру своего учебника по физике и астрономии для 9-го класса – вариант, конечно, не лишенный недостатков, но позволяющий «заземлить» положения концепции. Было бы полезно организовать открытую дискуссию на эту тему, позволив читателям выразить свои мнения на счет заявленной программы. Интересно было бы услышать и содержательную критику. Критические замечания, вроде: «Вот, Вы пишете о красоте языка, а сами-то выражаетесь сухо и не литературно,» – конечно, тоже ожидаются, но не о том речь.

Механика и астрономия в историческом развитии

Проект учебного пособия по физике и астрономии. 9-й класс. гуманитарный курс

 Как было отмечено выше, принципиальным моментом изменения содержания физики при обучении учащихся гуманитарного склада мышления является преодоление абстрактного характера изложения предмета. Это означает кардинальное усиление роли конкретного материала, образности, сравнений и наглядности его подачи; введение феноменологического подхода к изучаемым явлениям природы и техники и лежащим в их основе закономерностям. Под феноменологическим подходом в обучении в данном случае понимается такое соотношение явления и закономерности, когда закономерность (сущность явления) познается в неразрывной связи с конкретным явлением, в котором она проявляется. Причем сперва рассматривается само явление, а уже затем – закономерность. Для реализации этого подхода необходим специальный отбор явлений (феноменов) для демонстрации.

Однако такой подход – опора на конкретность и детальное рассмотрение явлений и примеров – нельзя реализовать в одном абзаце параграфа или же изложить за пять минут урока. Поэтому существенным моментом при разработке данного учебника был поиск разумного варианта разрешения противоречия между сокращенным объемом учебного времени на изучение физики (34 ч вместо 68 ч) и необходимостью излагать его конкретно, живо и интересно.

В результате указанная проблема была решена следующим образом. Пособие предлагает учащимся и учителю широкий спектр возможностей для выбора объема изучаемого материала: только 25–30% содержания является обязательным!

Из двух возможных вариантов изложения материала (в хронологической последовательности развития науки или же в предметной) избран второй: содержание разбито на разделы-главы в соответствии с делением науки на различные предметные области. Однако последовательность глав во многом соответствует историческому пути развития науки (самая древняя наука – астрономия – идет в самом начале; затем статика (Архимед, античность), далее кинематика (Г.Галилей), динамика (И.Ньютон), импульс (Х.Гюйгенс), энергия (Г.Лейбниц, Р.Майер и др.), и в заключение волны (XIX в., Х.Доплер). Внутри каждой главы также выдержан предметный принцип построения, причем исторический материал везде дается наряду с предметным без следования жесткой хронологии. И вместе с тем исторический путь развития этих наук идет красной нитью через всю ткань учебного пособия, предлагая яркие, содержательные исторические иллюстрации, поясняющие развитие научной методологии на конкретных примерах.

Пособие состоит из двух частей: собственно учебника с текстами параграфов, приложений и иллюстрациями и сборника заданий, вопросов и практических работ (тексты контрольных работ, в основном в форме качественных задач, даются отдельно в методическом пособии для учителя, куда входят также описания постановки экспериментов и рекомендации по проведению уроков).

Для сборника заданий возможны два варианта издания: в переплете и в виде отдельных листов. В последнем случае учитель может выдавать отдельные листки с заданиями по своему усмотрению, а если в них самих отводится место и для ответов, то регулярно собирать для проверки. В этом случае тетрадь учащихся должна представлять собой папку (типа скоросшивателя), в которую эти листки вкладываются вместе с другими работами по данному предмету.

В процессе работы над пособием сложилась следующая структура, реализованная практически в каждом параграфе:

• история появления данного закона, эксперимента, понятия;
• описание экспериментов и их анализ (предполагается, что предварительно учащиеся наблюдали эти эксперименты на уроке); как результат – введение новых физических понятий и законов;
• применение новых понятий для анализа конкретных случаев, а также примеры видоизменения данного понятия, закона для различных ситуаций, позволяющие глубже уяснить данное понятие (закон), разобраться в его содержании, а также привлечь интерес учащихся;
• задачи (в основном качественного характера), основное назначение которых – обеспечить уяснение новых понятий в процессе их применения, когда они выступают в роли средства для решения конкретной задачи. Существенно, что это задачи нерепродуктивного типа: в них не требуется воспроизвести определение или же формулу;
• краткие итоги;
• приложения и задания для работы с ними. Это либо выдержки из оригинальных текстов ученых, написанных на эту тему, либо их биографии, либо тексты, в которых подробно рассматривается одно из приложений излагаемого закона, понятия (например: реактивное движение, упругость и прочность в конструкции моста, конструкция первых маятниковых часов). Среди всех приложений наиболее важным является, на наш взгляд, именно хрестоматийный текст, т.к., с одной стороны, он представляет собой определенный исторический документ; с другой – образец научного текста, который, помимо всего прочего, требует еще и определенной работы по пониманию, реконструкции смысла написанного. Кроме того, такие тексты ясно показывают, что физические понятия развиваются со временем.

В заключение приведем структуру учебника. В названиях разделов (параграфов) на первый план выдвинута занимательная формулировка и лишь затем (в большей мере – для учителя) дается ее тематическое раскрытие.

ГЛАВА I. Движение небесных тел при различных положениях наблюдателя. (Астрономия.)

1. Вращение небесных сфер. (Звездное небо и его движение.)
Приложение. Египетские мифы о солнечном божестве.

2. Что такое время? (Солнце и его видимое движение. Сутки и год.)
Приложение. Как измерили расстояния до Солнца, планет и звезд?

3. Ночное светило и последствия «случайного» совпадения размеров. (Луна, ее движение и фазы. Затмения.)
Приложение. Описания затмений (Геродот, В.Г.Короленко.)

4. Блуждающие светила. (Планеты и их движение.)
Приложение. Биография И.Кеплера.

5. История открытия законов движения планет. (Законы Кеплера.)
Приложение. Платон о сотворении мира.

ГЛАВА II. Силы в равновесии. (Статика.)

6. Рычаг и «золотое правило механики». (Понятие работы.)
Приложение. Архимед – геометрическое доказательство закона рычага.

7. Все пружины одинаковы. (Сила упругости. Закон Гука.)
Приложение. Х.Гук о законе упругости. Физика мостостроения.

8. Как достичь равновесия? (Сложение сил.)
Приложение. Биография Архимеда.

9. Самый простой способ поднятия тяжестей. (Равновесие тела на наклонной плоскости.)
Приложение. С.Стевин – доказательство равновесия тел на наклонной плоскости.

10. Спутник, от которого не отвяжешься. (Трение. Закон Амонтона–Кулона.)

ГЛАВА III. движение. (Кинематика.)

11. Что такое скорость? (Равномерное прямолинейное движение.)

12. Когда привычное понятие скорости теряет смысл. (Движение по наклонной плоскости. Понятие ускорения.)
Приложение. Г.Галилей – введение понятия равноускоренного движения.

13. Неужели все тела падают одинаково? (Движение свободно падающего тела. Ускорение свободного падения.)
Приложение. Биография Г.Галилея.

14. Может ли одно тело одновременно совершать два движения? (Движение горизонтально брошенного тела. Сложение скоростей.)
Приложение. Как обеспечить максимальную дальность стрельбы? (Движение тела, брошенного под углом к горизонту.)

15. Качели: путь растет, а время – нет. (Колебания нитяного маятника.)
Приложение. Х.Гюйгенс – описание первых маятниковых часов.

16. Почему равномерное вращение каруселей не является равномерным движением? (Скорость и ускорение при движении по окружности.)
Приложение. Кто придумал метр, килограмм и секунду? (История метрической системы единиц.)

ГЛАВА IV. Силы и движение. (Динамика.)

17. Вечное движение все-таки существует! (Закон инерции. Понятие силы в механике.)
Приложение. Галилей – мысленный эксперимент с наклонной плоскостью и понятие инерции.

18. Всякое изменение скорости имеет причину. (Второй закон Ньютона. Понятие массы.)
Приложение. Биография Ньютона. Приложение: Ньютон – начало «Начал».

19. Без трения нет движения! (Взаимодействие тел. Третий закон Ньютона.)
Приложение. Биомеханика человеческого движения.

20. Луна в роли падающего яблока. (закон всемирного тяготения.)
Приложение. Земля – неинерциальная система отсчета.

21. Как взвесили Землю? (Определение гравитационной постоянной.)
Приложение. Определение масс планет и Солнца по наблюдениям с Земли.

ГЛАВА V. УДАР. (Импульс.)

22. Удар – ответный удар. (Закон сохранения импульса.)
Приложение. Реактивное движение.

23. Эта загадочная сила удара. (Понятие импульса силы.)
Приложение. Х.Гюйгенс об ударе.

24. Чем отличается сталь от воска? (Упругий и неупругий удары.)
Приложение. Биография Х.Гюйгенса.

ГЛАВА VI. ЭНЕРГИЯ.

25. Что такое «живая сила»? (Понятие кинетической энергии.)
Приложение. Г.Лейбниц о сохранении энергии.

26. То, что никогда не исчезает. (Закон сохранения и превращения энергии. Потенциальная энергия.)
Приложение. Из работы Р.Майера о превращении энергии.

ГЛАВА VII. ВОЛНЫ.

27. Движение распространяется, а движущееся тело остается на месте. (Волновое движение.)
Приложение. Волны на море.

28. Что происходит, когда волны встречаются? (Стоячие волны.)
Приложение. Эффект Доплера. Как астрономы узнали, что мы живем в расширяющейся Вселенной?

29. Как распространяется звук? (Звуковые волны.)
Приложение. Как формируется человеческий голос? Краткая хронология истории развития механики.